Nabídka udržitelných zdrojů elektřiny je jednou z nejdůležitějších výzev tohoto století. Z této motivace vycházejí oblasti výzkumu v oblasti materiálů pro získávání energie, včetně termoelektriky1, fotovoltaiky2 a termofotovoltaiky3. Ačkoli nám chybí materiály a zařízení schopné získávat energii v Jouleově rozsahu, pyroelektrické materiály, které dokáží přeměnit elektrickou energii na periodické teplotní změny, jsou považovány za senzory4 a sklízeče energie5,6,7. Zde jsme vyvinuli makroskopický sklízeč tepelné energie ve formě vícevrstvého kondenzátoru vyrobeného ze 42 gramů tantalátu olovnatého a skandia, který produkuje 11,2 J elektrické energie na termodynamický cyklus. Každý pyroelektrický modul dokáže generovat hustotu elektrické energie až 4,43 J cm-3 na cyklus. Ukazujeme také, že dva takové moduly o hmotnosti 0,3 g stačí k nepřetržitému napájení autonomních sklízečů energie s vestavěnými mikrokontroléry a teplotními senzory. Nakonec ukazujeme, že pro teplotní rozsah 10 K mohou tyto vícevrstvé kondenzátory dosáhnout 40% Carnotovy účinnosti. Tyto vlastnosti jsou způsobeny (1) změnou feroelektrické fáze pro vysokou účinnost, (2) nízkým svodovým proudem pro prevenci ztrát a (3) vysokým průrazným napětím. Tyto makroskopické, škálovatelné a účinné pyroelektrické zdroje energie nově představují termoelektrické generování energie.
Ve srovnání s prostorovým teplotním gradientem potřebným pro termoelektrické materiály vyžaduje získávání energie z termoelektrických materiálů teplotní cyklování v čase. To znamená termodynamický cyklus, který je nejlépe popsán diagramem entropie (S)-teplota (T). Obrázek 1a ukazuje typický ST graf nelineárního pyroelektrického (NLP) materiálu demonstrujícího fázový přechod feroelektrický-paraelektrický fázový přechod řízený polem v tantalátu skandia a olova (PST). Modrá a zelená část cyklu na ST diagramu odpovídají přeměněné elektrické energii v Olsonově cyklu (dvě izotermické a dvě izopólové části). Zde uvažujeme dva cykly se stejnou změnou elektrického pole (pole zapnuto a vypnuto) a změnou teploty ΔT, i když s různými počátečními teplotami. Zelený cyklus se nenachází v oblasti fázového přechodu, a proto má mnohem menší plochu než modrý cyklus nacházející se v oblasti fázového přechodu. V ST diagramu platí, že čím větší je plocha, tím větší je shromážděná energie. Fázový přechod proto musí shromáždit více energie. Potřeba cyklování na velké ploše v NLP je velmi podobná potřebě elektrotermických aplikací9, 10, 11, 12, kde vícevrstvé kondenzátory PST (MLC) a terpolymery na bázi PVDF nedávno prokázaly vynikající reverzní výkon. Stav chladicího výkonu v cyklu 13, 14, 15, 16. Proto jsme identifikovali PST MLC, které jsou zajímavé pro získávání tepelné energie. Tyto vzorky byly plně popsány v metodách a charakterizovány v doplňkových poznámkách 1 (skenovací elektronová mikroskopie), 2 (rentgenová difrakce) a 3 (kalorimetrie).
a, Náčrt grafu entropie (S)-teplota (T) s elektrickým polem zapnutým a vypnutým aplikovaným na NLP materiály, znázorňující fázové přechody. Jsou znázorněny dva cykly sběru energie ve dvou různých teplotních zónách. Modrý a zelený cyklus probíhají uvnitř a vně fázového přechodu a končí ve velmi odlišných oblastech povrchu. b, dva unipolární prstence DE PST MLC o tloušťce 1 mm, naměřené mezi 0 a 155 kV cm-1 při 20 °C a 90 °C, a odpovídající Olsenovy cykly. Písmena ABCD označují různé stavy v Olsonově cyklu. AB: MLC byly nabity na 155 kV cm-1 při 20 °C. BC: MLC byl udržován na 155 kV cm-1 a teplota byla zvýšena na 90 °C. CD: MLC se vybíjí při 90 °C. DA: MLC ochlazený na 20 °C v nulovém poli. Modrá oblast odpovídá vstupnímu výkonu potřebnému ke spuštění cyklu. Oranžová oblast představuje energii shromážděnou v jednom cyklu. c, horní panel, napětí (černá) a proud (červená) v závislosti na čase, sledované během stejného Olsonova cyklu jako b. Dva vložené grafy představují zesílení napětí a proudu v klíčových bodech cyklu. Ve spodním panelu žlutá a zelená křivka představují odpovídající teplotní a energetické křivky pro 1 mm silný MLC. Energie se vypočítá z křivek proudu a napětí na horním panelu. Záporná energie odpovídá shromážděné energii. Kroky odpovídající velkým písmenům na čtyřech obrázcích jsou stejné jako v Olsonově cyklu. Cyklus AB'CD odpovídá Stirlingovu cyklu (doplňující poznámka 7).
kde E a D jsou elektrické pole a pole elektrického posunutí. Nd lze získat nepřímo z DE obvodu (obr. 1b) nebo přímo spuštěním termodynamického cyklu. Nejužitečnější metody popsal Olsen ve své průkopnické práci o sběru pyroelektrické energie v 80. letech 20. století17.
Na obr. 1b jsou znázorněny dvě monopolární DE smyčky vzorků PST-MLC o tloušťce 1 mm sestavených při teplotě 20 °C a 90 °C v rozsahu 0 až 155 kV cm-1 (600 V). Tyto dva cykly lze použít k nepřímému výpočtu energie shromážděné Olsonovým cyklem znázorněným na obrázku 1a. Olsenův cyklus se ve skutečnosti skládá ze dvou izopolních větví (zde nulové pole ve větvi DA a 155 kV cm-1 ve větvi BC) a dvou izotermických větví (zde 20 °C a 20 °C ve větvi AB). C ve větvi CD. Energie shromážděná během cyklu odpovídá oranžové a modré oblasti (EdD integrál). Shromážděná energie Nd je rozdíl mezi vstupní a výstupní energií, tj. pouze oranžová oblast na obr. 1b. Tento konkrétní Olsonův cyklus dává hustotu energie Nd 1,78 J cm-3. Stirlingův cyklus je alternativou k Olsonovu cyklu (doplňková poznámka 7). Protože je snadněji dosažitelná fáze konstantního náboje (otevřený obvod), dosahuje hustota energie z obr. 1b (cyklus AB'CD) 1,25 J cm-3. To je pouze 70 % toho, co dokáže Olsonův cyklus shromáždit, ale jednoduché zařízení pro sběr energie to zvládne.
Dále jsme přímo měřili energii shromážděnou během Olsonova cyklu napájením PST MLC pomocí teplotního regulátoru Linkam a měřiče zdroje (metoda). Obrázek 1c nahoře a v příslušných vložkách ukazuje proud (červená) a napětí (černá) shromážděné na stejném 1 mm silném PST MLC jako u smyčky DE procházející stejným Olsonovým cyklem. Proud a napětí umožňují výpočet shromážděné energie a křivky jsou znázorněny na obr. 1c dole (zelená) a teplota (žlutá) v průběhu celého cyklu. Písmena ABCD představují stejný Olsonův cyklus na obr. 1. Nabíjení MLC probíhá během úseku AB a provádí se nízkým proudem (200 µA), takže SourceMeter může správně řídit nabíjení. Důsledkem tohoto konstantního počátečního proudu je, že křivka napětí (černá křivka) není lineární kvůli nelineárnímu potenciálovému posuvnému poli D PST (obr. 1c, horní vložka). Na konci nabíjení je v MLC uloženo 30 mJ elektrické energie (bod B). MLC se poté zahřeje a vzniká záporný proud (a tedy i záporný proud), zatímco napětí zůstává na 600 V. Po 40 s, když teplota dosáhla plató 90 °C, byl tento proud kompenzován, ačkoli stupňovitý vzorek produkoval v obvodu během tohoto izopólu elektrický výkon 35 mJ (druhá vložka na obr. 1c, nahoře). Napětí na MLC (větev CD) se poté sníží, což má za následek dalších 60 mJ elektrické práce. Celková výstupní energie je 95 mJ. Shromážděná energie je rozdíl mezi vstupní a výstupní energií, což dává 95 – 30 = 65 mJ. To odpovídá hustotě energie 1,84 J cm-3, která je velmi blízká Nd extrahovanému z DE kruhu. Reprodukovatelnost tohoto Olsonova cyklu byla rozsáhle testována (doplňková poznámka 4). Dalším zvyšováním napětí a teploty jsme dosáhli hodnoty 4,43 J cm-3 za použití Olsenových cyklů v 0,5 mm silném PST MLC v teplotním rozsahu 750 V (195 kV cm-1) a 175 °C (doplňková poznámka 5). To je čtyřikrát více než nejlepší výkon uváděný v literatuře pro přímé Olsonovy cykly a bylo dosaženo na tenkých vrstvách Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) (1,06 J cm-3)18 (cm-1). Další hodnoty v literatuře naleznete v doplňkové tabulce 1). Tohoto výkonu bylo dosaženo díky velmi nízkému svodovému proudu těchto MLC (<10−7 A při 750 V a 180 °C, podrobnosti viz v doplňkové poznámce 6) – což je klíčový bod zmíněný Smithem a kol.19 – na rozdíl od materiálů použitých v dřívějších studiích17,20. Tohoto výkonu bylo dosaženo díky velmi nízkému svodovému proudu těchto MLC (<10−7 A při 750 V a 180 °C, podrobnosti viz v doplňkové poznámce 6) – což je klíčový bod zmíněný Smithem a kol.19 – na rozdíl od materiálů použitých v dřívějších studiích17,20. Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих – 57 MLC (<10) 180 °C, см. др. 19 — v отличие от к материалам, использованным v более ранних исследованиях17,20. Těchto charakteristik bylo dosaženo díky velmi nízkému svodovému proudu těchto MLC (<10–7 A při 750 V a 180 °C, podrobnosti viz doplňková poznámka 6) – kritický bod zmíněný Smithem a kol. 19 – na rozdíl od materiálů použitých v dřívějších studiích 17,20.由于这些MLC 的泄漏电流非常低（在750 V 和180 °C 时<10-7 A，请参见补充说明6中的详细信息）——Smith 等人19提到的关键点 ——相比之下，已经达到了这种性能到早期研究中使用的材0㖂1由于 这些 mlc 的 泄漏 非常 （在 在 在 750 V 和 180 ° C 时 <10-7 A ， 参见 补嘎 说日信息））））） — 等 人 19 提到 关键 关键 点 相比之下 相比繋下 相比下下下下下下下下下信息））））））））相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比下相比之下下下下下下之下下 相比之下 相比之下下下之下下下之下下下之下下下下下下下比之下相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下 相比之下，已经达到了这种性能到早期研究中使用的材料17.20。 Поскольку ток утечки этих MLC очень низкий (<10–7 А при 750 В a 180 °C, см. постробннь дополнительном примечании 6) — ключевой момент, упомянутый Смитом и др. 19 — для сравнения, были достигнуты эти характеристики. Protože svodový proud těchto MLC je velmi nízký (<10–7 A při 750 V a 180 °C, podrobnosti viz doplňková poznámka 6) – klíčový bod zmíněný Smithem a kol. 19 pro srovnání – bylo těchto výkonů dosaženo.k materiálům použitým v dřívějších studiích 17,20.
Stejné podmínky (600 V, 20–90 °C) byly použity pro Stirlingův cyklus (doplňková poznámka 7). Jak se očekávalo na základě výsledků DE cyklu, výtěžek byl 41,0 mJ. Jednou z nejvýraznějších vlastností Stirlingových cyklů je jejich schopnost zesilovat počáteční napětí prostřednictvím termoelektrického jevu. Pozorovali jsme napěťový zisk až 39 (z počátečního napětí 15 V na koncové napětí až 590 V, viz doplňkový obrázek 7.2).
Dalším rozlišovacím znakem těchto MLC je, že se jedná o makroskopické objekty dostatečně velké na to, aby shromažďovaly energii v joulovém rozsahu. Proto jsme zkonstruovali prototyp harvesteru (HARV1) s použitím 28 MLC PST o tloušťce 1 mm, podle stejného designu paralelních desek popsaného Torellem a kol.14, v matrici 7×4, jak je znázorněno na obr. Teplonosná dielektrická kapalina v rozdělovači je peristaltickým čerpadlem přenášena mezi dvěma zásobníky, kde je teplota kapaliny udržována konstantní (metoda). Shromáždit až 3,1 J pomocí Olsonova cyklu popsaného na obr. 2a, izotermické oblasti při 10 °C a 125 °C a oblasti izopole při 0 a 750 V (195 kV cm-1). To odpovídá hustotě energie 3,14 J cm-3. Pomocí tohoto harvesteru byla provedena měření za různých podmínek (obr. 2b). Všimněte si, že 1,8 J bylo získáno v teplotním rozsahu 80 °C a napětí 600 V (155 kV cm-1). To je v dobré shodě s dříve zmíněnými 65 mJ pro 1 mm silný PST MLC za stejných podmínek (28 × 65 = 1820 mJ).
a, Experimentální nastavení sestaveného prototypu HARV1 založeného na 28 MLC PST o tloušťce 1 mm (4 řádky × 7 sloupců) běžících na Olsonových cyklech. Pro každý ze čtyř kroků cyklu je v prototypu uvedena teplota a napětí. Počítač pohání peristaltické čerpadlo, které cirkuluje dielektrickou kapalinu mezi studenou a horkou nádrží, dvěma ventily a zdrojem energie. Počítač také používá termočlánky ke sběru dat o napětí a proudu dodávaném do prototypu a teplotě kombajnu ze zdroje napájení. b, Energie (barva) shromažďovaná naším 4×7 MLC prototypem v závislosti na teplotním rozsahu (osa X) a napětí (osa Y) v různých experimentech.
Větší verze harvesteru (HARV2) s 60 PST MLC o tloušťce 1 mm a 160 PST MLC o tloušťce 0,5 mm (41,7 g aktivního pyroelektrického materiálu) poskytla 11,2 J (doplňková poznámka 8). V roce 1984 Olsen vyrobil harvestor energie na bázi 317 g sloučeniny Pb(Zr,Ti)O3 dopované cínem, schopný generovat 6,23 J elektřiny při teplotě asi 150 °C (odkaz 21). Pro tento harvestor je to jediná další dostupná hodnota v joulovém rozsahu. Dosáhl něco málo přes polovinu hodnoty, které jsme dosáhli, a téměř sedminásobné kvality. To znamená, že hustota energie HARV2 je 13krát vyšší.
Perioda cyklu HARV1 je 57 sekund. To vyprodukovalo 54 mW energie se 4 řadami 7 sloupců sad MLC o tloušťce 1 mm. Abychom to posunuli ještě o krok dál, postavili jsme třetí kombinaci (HARV3) s 0,5 mm silným PST MLC a podobným uspořádáním jako u HARV1 a HARV2 (doplňková poznámka 9). Naměřili jsme dobu termalizace 12,5 sekundy. To odpovídá době cyklu 25 s (doplňkový obrázek 9). Získaná energie (47 mJ) dává elektrický výkon 1,95 mW na MLC, což nám umožňuje představit si, že HARV2 produkuje 0,55 W (přibližně 1,95 mW × 280 PST MLC o tloušťce 0,5 mm). Kromě toho jsme simulovali přenos tepla pomocí simulace konečných prvků (COMSOL, doplňková poznámka 10 a doplňkové tabulky 2–4) odpovídající experimentům HARV1. Modelování metodou konečných prvků umožnilo předpovědět hodnoty výkonu téměř o řád vyšší (430 mW) pro stejný počet sloupců PST ztenčením MLC na 0,2 mm, použitím vody jako chladiva a obnovením matrice na 7 řádků. × 4 sloupce (kromě , bylo k dispozici 960 mW, když byla nádrž vedle kombajnu, doplňkový obr. 10b).
Pro demonstraci užitečnosti tohoto kolektoru byl Stirlingův cyklus aplikován na samostatný demonstrátor sestávající pouze ze dvou 0,5 mm silných PST MLC jako tepelných kolektorů, vysokonapěťového spínače, nízkonapěťového spínače s akumulačním kondenzátorem, DC/DC měniče, mikrokontroléru s nízkým příkonem, dvou termočlánků a zvyšujícího měniče (doplňková poznámka 11). Obvod vyžaduje, aby byl akumulační kondenzátor zpočátku nabit na 9 V, a poté běží autonomně, zatímco teplota obou MLC se pohybuje od -5 °C do 85 °C, zde v cyklech 160 s (několik cyklů je uvedeno v doplňkové poznámce 11). Je pozoruhodné, že dva MLC o hmotnosti pouhých 0,3 g dokáží autonomně řídit tento velký systém. Další zajímavou vlastností je, že nízkonapěťový měnič je schopen převádět 400 V na 10–15 V s účinností 79 % (doplňková poznámka 11 a doplňkový obrázek 11.3).
Nakonec jsme vyhodnotili účinnost těchto MLC modulů při přeměně tepelné energie na energii elektrickou. Faktor jakosti η účinnosti je definován jako poměr hustoty shromážděné elektrické energie Nd k hustotě dodaného tepla Qin (doplňková poznámka 12):
Obrázky 3a,b ukazují účinnost η a proporcionální účinnost ηr Olsenova cyklu v závislosti na teplotním rozsahu 0,5 mm silného PST MLC. Oba soubory dat jsou uvedeny pro elektrické pole 195 kV cm-1. Účinnost dosahuje 1,43 %, což odpovídá 18 % ηr. Pro teplotní rozsah 10 K od 25 °C do 35 °C však ηr dosahuje hodnot až 40 % (modrá křivka na obr. 3b). To je dvojnásobek známé hodnoty pro NLP materiály zaznamenané ve filmech PMN-PT (ηr = 19 %) v teplotním rozsahu 10 K a 300 kV cm-1 (odkaz 18). Teplotní rozsahy pod 10 K nebyly uvažovány, protože tepelná hystereze PST MLC je mezi 5 a 8 K. Rozpoznání pozitivního vlivu fázových přechodů na účinnost je zásadní. Ve skutečnosti jsou optimální hodnoty η a ηr téměř všechny získány při počáteční teplotě Ti = 25 °C na obr. 3a,b. To je způsobeno blízkým fázovým přechodem, když není aplikováno žádné pole, a Curieova teplota TC je v těchto MLC kolem 20 °C (doplňková poznámka 13).
a,b, účinnost η a proporcionální účinnost Olsonova cyklu (a)\({\eta}_{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{\rm{Carnot}} pro maximální elektrický výkon polem 195 kV cm-1 a různými počátečními teplotami Ti, }}\,\)(b) pro MPC PST o tloušťce 0,5 mm, v závislosti na teplotním intervalu ΔTspan.
Toto pozorování má dva důležité důsledky: (1) jakékoli efektivní cyklování musí začít při teplotách nad TC, aby došlo k fázovému přechodu indukovanému polem (z paraelektrického na feroelektrický); (2) tyto materiály jsou účinnější při dobách běhu blízkých TC. Ačkoli naše experimenty prokazují účinnost ve velkém měřítku, omezený teplotní rozsah nám neumožňuje dosáhnout velké absolutní účinnosti kvůli Carnotově limitu (ΔT/T). Vynikající účinnost prokázaná těmito PST MLC však ospravedlňuje Olsena, když zmiňuje, že „ideální regenerativní termoelektrický motor třídy 20 pracující při teplotách mezi 50 °C a 250 °C může mít účinnost 30 %“17. Pro dosažení těchto hodnot a otestování konceptu by bylo užitečné použít dopované PST s různými TC, jak studovali Shebanov a Borman. Ukázali, že TC v PST se může pohybovat od 3 °C (dopování Sb) do 33 °C (dopování Ti)22. Proto předpokládáme, že pyroelektrické regenerátory nové generace založené na dopovaných PST MLC nebo jiných materiálech se silným fázovým přechodem prvního řádu mohou konkurovat nejlepším sběračům energie.
V této studii jsme zkoumali MLC vyrobené z PST. Tato zařízení se skládají ze série Pt a PST elektrod, kde je několik kondenzátorů zapojeno paralelně. PST byl vybrán, protože je vynikajícím EC materiálem, a proto potenciálně vynikajícím NLP materiálem. Vykazuje ostrý fázový přechod prvního řádu z feroelektrického na paraelektrický kolem 20 °C, což naznačuje, že jeho změny entropie jsou podobné těm, které jsou znázorněny na Obr. 1. Podobné MLC byly plně popsány pro zařízení EC13,14. V této studii jsme použili MLC o rozměrech 10,4 × 7,2 × 1 mm³ a 10,4 × 7,2 × 0,5 mm³. MLC o tloušťce 1 mm a 0,5 mm byly vyrobeny z 19 a 9 vrstev PST o tloušťce 38,6 µm. V obou případech byla vnitřní vrstva PST umístěna mezi platinové elektrody o tloušťce 2,05 µm. Konstrukce těchto MLC předpokládá, že 55 % PST je aktivních, což odpovídá části mezi elektrodami (doplňková poznámka 1). Aktivní plocha elektrod byla 48,7 mm2 (doplňková tabulka 5). MLC PST byl připraven reakcí na pevné fázi a metodou odlévání. Podrobnosti o procesu přípravy byly popsány v předchozím článku14. Jedním z rozdílů mezi PST MLC a předchozím článkem je pořadí B-míst, které výrazně ovlivňuje výkon EC v PST. Pořadí B-míst PST MLC je 0,75 (doplňková poznámka 2), získané slinováním při 1400 °C a následným žíháním trvajícím stovky hodin při 1000 °C. Více informací o PST MLC viz doplňkové poznámky 1-3 a doplňková tabulka 5.
Hlavní koncept této studie je založen na Olsonově cyklu (obr. 1). Pro takový cyklus potřebujeme zásobník teplé a studené vody a zdroj napájení schopný monitorovat a řídit napětí a proud v různých modulech MLC. Tyto přímé cykly používaly dvě různé konfigurace, a to (1) moduly Linkam ohřívající a chladící jeden MLC připojený ke zdroji napájení Keithley 2410 a (2) tři prototypy (HARV1, HARV2 a HARV3) paralelně se stejným zdrojem energie. V druhém případě byla pro výměnu tepla mezi oběma zásobníky (horkým a studeným) a MLC použita dielektrická kapalina (silikonový olej s viskozitou 5 cP při 25 °C, zakoupený od společnosti Sigma Aldrich). Tepelný zásobník se skládá ze skleněné nádoby naplněné dielektrickou kapalinou a umístěné na tepelné destičce. Chladicí systém se skládá z vodní lázně s kapalinovými trubicemi obsahujícími dielektrickou kapalinu ve velké plastové nádobě naplněné vodou a ledem. Na každém konci kombajnu byly umístěny dva třícestné škrticí ventily (zakoupené od společnosti Bio-Chem Fluidics) pro správné přepínání kapaliny z jedné nádrže do druhé (obrázek 2a). Aby byla zajištěna tepelná rovnováha mezi pouzdrem PST-MLC a chladicí kapalinou, byla doba cyklu prodloužena, dokud vstupní a výstupní termočlánky (co nejblíže pouzdru PST-MLC) neukazovaly stejnou teplotu. Skript Pythonu spravuje a synchronizuje všechny přístroje (měřiče zdroje, čerpadla, ventily a termočlánky) tak, aby probíhaly správný Olsonův cyklus, tj. smyčka chladiva začne cyklovat přes zásobník PST po nabití měřiče zdroje, aby se zahřály na požadované aplikované napětí pro daný Olsonův cyklus.
Alternativně jsme tato přímá měření shromážděné energie potvrdili nepřímými metodami. Tyto nepřímé metody jsou založeny na smyčkách elektrického posunutí (D) – elektrického pole (E) shromážděných při různých teplotách a výpočtem plochy mezi dvěma smyčkami DE lze přesně odhadnout, kolik energie lze shromáždit, jak je znázorněno na obrázku 2.1b. Tyto smyčky DE jsou také sbírány pomocí měřičů zdroje Keithley.
Dvacet osm 1 mm silných PST MLC bylo sestaveno do 4řadé, 7sloupcové paralelní deskové struktury podle návrhu popsaného v referenci. 14. Mezera mezi řadami PST-MLC je 0,75 mm. Toho je dosaženo přidáním proužků oboustranné pásky jako kapalinových distančních podložek kolem okrajů PST MLC. PST MLC je elektricky paralelně připojen stříbrným epoxidovým můstkem, který je v kontaktu s vodiči elektrod. Poté byly na každou stranu svorek elektrod nalepeny dráty stříbrnou epoxidovou pryskyřicí pro připojení k napájení. Nakonec byla celá konstrukce vložena do polyolefinové hadice. Ta je přilepena k kapalinové trubici, aby bylo zajištěno správné utěsnění. Nakonec byly do každého konce struktury PST-MLC zabudovány 0,25 mm silné termočlánky typu K pro sledování vstupní a výstupní teploty kapaliny. Za tímto účelem je nutné hadici nejprve perforovat. Po instalaci termočlánku naneste stejné lepidlo jako předtím mezi hadici a drát termočlánku, aby se obnovilo utěsnění.
Bylo vyrobeno osm samostatných prototypů, z nichž čtyři měly 40 MLC PST o tloušťce 0,5 mm rozmístěných jako paralelní desky s 5 sloupci a 8 řadami a zbývající čtyři měly po 15 MLC PST o tloušťce 1 mm ve struktuře paralelních desek o 3 sloupcích × 5 řadách. Celkový počet použitých PST MLC byl 220 (160 o tloušťce 0,5 mm a 60 PST MLC o tloušťce 1 mm). Tyto dvě podjednotky nazýváme HARV2_160 a HARV2_60. Kapalinová mezera v prototypu HARV2_160 se skládá ze dvou oboustranných pásek o tloušťce 0,25 mm s drátem o tloušťce 0,25 mm mezi nimi. U prototypu HARV2_60 jsme zopakovali stejný postup, ale s použitím drátu o tloušťce 0,38 mm. Z důvodu symetrie mají HARV2_160 a HARV2_60 vlastní kapalinové okruhy, čerpadla, ventily a studenou stranu (doplňková poznámka 8). Dvě jednotky HARV2 sdílejí tepelný zásobník, třílitrovou nádobu (30 cm x 20 cm x 5 cm) na dvou topných deskách s rotujícími magnety. Všech osm jednotlivých prototypů je elektricky zapojeno paralelně. Podjednotky HARV2_160 a HARV2_60 pracují současně v Olsonově cyklu, což vede k energetickému zisku 11,2 J.
Do polyolefinové hadice se umístí 0,5 mm silný PST MLC a na obou stranách se zalepí oboustrannou páskou a drátem, aby se vytvořil prostor pro tok kapaliny. Vzhledem k malým rozměrům byl prototyp umístěn vedle ventilu horké nebo studené nádrže, čímž se minimalizovaly doby cyklů.
V PST MLC se aplikuje konstantní elektrické pole přivedením konstantního napětí na topnou větev. V důsledku toho se generuje záporný tepelný proud a ukládá se energie. Po ohřátí PST MLC se pole odstraní (V = 0) a energie v něm uložená se vrací zpět do čítače zdroje, což odpovídá dalšímu příspěvku shromážděné energie. Nakonec se přivedením napětí V = 0 MLC PST ochladí na svou počáteční teplotu, aby se cyklus mohl znovu spustit. V této fázi se energie nesbírá. Olsenův cyklus jsme spustili s použitím Keithley 2410 SourceMeter, nabíjeli jsme PST MLC ze zdroje napětí a nastavili jsme shodu proudu na vhodnou hodnotu, aby se během fáze nabíjení shromáždilo dostatek bodů pro spolehlivé výpočty energie.
V Stirlingových cyklech byly PST MLC nabíjeny v režimu zdroje napětí při počáteční hodnotě elektrického pole (počáteční napětí Vi > 0), požadovaném proudu poddajnosti tak, aby krok nabíjení trval přibližně 1 s (a bylo shromážděno dostatek bodů pro spolehlivý výpočet energie) a nízké teplotě. V Stirlingových cyklech byly PST MLC nabíjeny v režimu zdroje napětí při počáteční hodnotě elektrického pole (počáteční napětí Vi > 0), požadovaném proudu poddajnosti tak, aby krok nabíjení trval přibližně 1 s (a bylo shromážděno dostatek bodů pro spolehlivý výpočet energie) a nízké teplotě. В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения причначально электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), желаемом податливом токе, такдатитарта занимает около 1 с (и набирается достаточное количество точек для надежного расчета) холодная температура. V cyklech Stirling PST MLC byly nabíjeny v režimu zdroje napětí při počáteční hodnotě elektrického pole (počáteční napětí Vi > 0), požadovaném výtěžnostním proudu, takže nabíjecí fáze trvá přibližně 1 s (a je shromážděn dostatečný počet bodů pro spolehlivý výpočet energie) a nízké teplotě.在斯特林循环中，PST MLC 在电压源模式下以初始电场值（初始电压Vi > 0）充电，所需的顺应电流使得充电步骤大约需要1秒（并且收集了足够的点以可靠地计算能量）和低温。 V hlavním cyklu se PST MLC nabíjí při počáteční hodnotě elektrického pole (počáteční napětí Vi > 0) v režimu zdroje napětí, takže požadovaný proud kompliance trvá přibližně 1 sekundu pro krok nabíjení (a shromáždili jsme dostatek bodů pro spolehlivý výpočet (energie) a nízké teploty). В цикле Стирлинга PST MLC заряжается v режиме источника напряжения с начальным ннначальным нннальныме не электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), требуемый ток податлэвости таков, занимает около 1 с (и набирается достаточное количество точек, чтобы надежно ратючино ратючитита низкие температуры. Ve Stirlingově cyklu se PST MLC nabíjí v režimu zdroje napětí s počáteční hodnotou elektrického pole (počáteční napětí Vi > 0), požadovaný proud je takový, že nabíjecí fáze trvá přibližně 1 s (a je shromážděn dostatečný počet bodů pro spolehlivý výpočet energie) a nízkými teplotami.Než se PST MLC zahřeje, otevřete obvod aplikací přizpůsobovacího proudu I = 0 mA (minimální přizpůsobovací proud, který náš měřicí zdroj zvládne, je 10 nA). V důsledku toho v PST MJK zůstane náboj a napětí se s ohřevem vzorku zvyšuje. V rameni BC se neshromažďuje žádná energie, protože I = 0 mA. Po dosažení vysoké teploty se napětí v MLT FT zvýší (v některých případech více než 30krát, viz další obr. 7.2), MLK FT se vybije (V = 0) a elektrická energie se v nich uloží po stejnou dobu, jakou mají počáteční náboj. Do měřicího zdroje se vrátí stejná proudová odpověď. Díky zesílení napětí je uložená energie při vysoké teplotě vyšší než ta, která byla k dispozici na začátku cyklu. Energie se tedy získává přeměnou tepla na elektřinu.
Pro monitorování napětí a proudu aplikovaného na PST MLC jsme použili Keithley SourceMeter 2410. Odpovídající energie se vypočítá integrací součinu napětí a proudu odečteného Keithleyho měřičem zdroje, \ (E = {\int}_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\), kde τ je perioda periody. Na naší energetické křivce kladné hodnoty energie znamenají energii, kterou musíme MLC PST dodat, a záporné hodnoty znamenají energii, kterou z nich extrahujeme, a tedy energii, kterou přijímáme. Relativní výkon pro daný cyklus sběru se určí vydělením sebrané energie periodou τ celého cyklu.
Veškeré údaje jsou uvedeny v hlavním textu nebo v doplňujících informacích. Dopisy a žádosti o materiály by měly být směřovány na zdroj dat AT nebo ED uvedených v tomto článku.
Ando Junior, OH, Maran, ALO a Henao, NC. Přehled vývoje a aplikací termoelektrických mikrogenerátorů pro získávání energie. Ando Junior, OH, Maran, ALO a Henao, NC. Přehled vývoje a aplikací termoelektrických mikrogenerátorů pro získávání energie.Ando Junior, Ohio, Maran, ALO a Henao, NC. Přehled vývoje a aplikace termoelektrických mikrogenerátorů pro získávání energie. Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NC 回顾用于能量收集的热电微型发电机的开发和应用。 Ando Junior, OH, Maran, ALO & Henao, NCAndo Junior v Ohiu, Maran v ALO a Henao v Severní Karolíně zvažují vývoj a aplikaci termoelektrických mikrogenerátorů pro získávání energie.životopis. podpora. Energy Rev. 91, 376–393 (2018).
Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Fotovoltaické materiály: současná účinnost a budoucí výzvy. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Fotovoltaické materiály: současná účinnost a budoucí výzvy.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. a Sinke, VK Fotovoltaické materiály: současný výkon a budoucí výzvy. Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC 光伏材料：目前的效率和未来的挑战。 Polman, A., Knight, M., Garnett, EC, Ehrler, B. & Sinke, WC Solární materiály: současná účinnost a budoucí výzvy.Polman, A., Knight, M., Garnett, EK, Ehrler, B. a Sinke, VK Fotovoltaické materiály: současný výkon a budoucí výzvy.Věda 352, aad4424 (2016).
Song, K., Zhao, R., Wang, ZL a Yang, Y. Konjunktní pyro-piezoelektrický jev pro simultánní snímání teploty a tlaku s vlastním napájením. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL a Yang, Y. Konjunktivní pyro-piezoelektrický jev pro simultánní snímání teploty a tlaku s vlastním napájením.Song K., Zhao R., Wang ZL a Yan Yu. Kombinovaný pyropiezoelektrický jev pro autonomní simultánní měření teploty a tlaku. Song, K., Zhao, R., Wang, ZL & Yang, Y. 用于自供电同时温度和压力传感的联合热压电效应。 Song, K., Zhao, R., Wang, ZL a Yang, Y. Pro vlastní napájení současně s teplotou a tlakem.Song K., Zhao R., Wang ZL a Yan Yu. Kombinovaný termopiezoelektrický jev pro autonomní simultánní měření teploty a tlaku.Vpřed. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G., Pruvost, S. a Guyomar, D. Získávání energie na základě Ericssonových pyroelektrických cyklů v relaxorové feroelektrické keramice. Sebald, G., Pruvost, S. a Guyomar, D. Získávání energie na základě Ericssonových pyroelektrických cyklů v relaxorové feroelektrické keramice.Sebald G., Prouvost S. a Guyomar D. Získávání energie na základě pyroelektrických Ericssonových cyklů v relaxorové feroelektrické keramice.Sebald G., Prouvost S. a Guyomar D. Získávání energie v relaxorových feroelektrických keramikách na bázi Ericssonova pyroelektrického cyklování. Smart alma mater. Structure. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorické a pyroelektrické materiály nové generace pro elektrotermickou přeměnu energie v pevné fázi. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorické a pyroelektrické materiály nové generace pro elektrotermickou přeměnu energie v pevné fázi. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW поколения для взаимного преобразования твердотельной электротермической энергия Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorické a pyroelektrické materiály nové generace pro elektrotermickou přeměnu energie v pevné fázi. Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. a Whatmore, RW Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW поколения для взаимного преобразования твердотельной электротермической энергия Alpay, SP, Mantese, J., Trolier-Mckinstry, S., Zhang, Q. & Whatmore, RW Elektrokalorické a pyroelektrické materiály nové generace pro elektrotermickou přeměnu energie v pevné fázi.Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL a Yang, Y. Standard a ukazatel jakosti pro kvantifikaci výkonu pyroelektrických nanogenerátorů. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL a Yang, Y. Standard a ukazatel jakosti pro kvantifikaci výkonu pyroelektrických nanogenerátorů.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL a Yang, Yu. Standardní a kvalitativní skóre pro kvantifikaci výkonu pyroelektrických nanogenerátorů. Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. 用于量化热释电纳米发电机性能的标准和品质因数。 Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y.Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL a Yang, Yu. Kritéria a ukazatele výkonu pro kvantifikaci výkonu pyroelektrického nanogenerátoru.Nanoenergie 55, 534–540 (2019).
Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. a Mathur, ND Elektrokalorické chladicí cykly v tantalátu olovnatého a skandia se skutečnou regenerací pomocí změny pole. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. a Mathur, ND Elektrokalorické chladicí cykly v tantalátu olovnatého a skandia se skutečnou regenerací pomocí změny pole.Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. a Mathur, ND Elektrokalorické chladicí cykly v tantalátu olovnato-skandia se skutečnou regenerací pomocí modifikace pole. Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND Crossley, S., Nair, B., Whatmore, RW, Moya, X. & Mathur, ND. Tantal酸钪钪钪钪钪钪钪钪电求的电池水水水水水气水在电影在在线电影。Crossley, S., Nair, B., Watmore, RW, Moya, X. a Mathur, ND Elektrotermický chladicí cyklus tantalátu skandia a olova pro skutečnou regeneraci prostřednictvím reverzace pole.fyzika Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X., Kar-Narayan, S. a Mathur, ND Kalorické materiály v blízkosti feroických fázových přechodů. Moya, X., Kar-Narayan, S. a Mathur, ND Kalorické materiály v blízkosti feroických fázových přechodů.Moya, X., Kar-Narayan, S. a Mathur, ND Kalorické materiály v blízkosti feroidních fázových přechodů. Moya, X., Kar-Narayan, S. & Mathur, ND 铁质相变附近的热量材料。 Moya, X., Kar-Narayan, S. a Mathur, ND Tepelně vodivé materiály v blízkosti železné metalurgie.Moya, X., Kar-Narayan, S. a Mathur, ND Tepelně vodivé materiály v blízkosti fázových přechodů železa.Nat. alma mater 13, 439–450 (2014).
Moya, X. a Mathur, ND Kalorické materiály pro chlazení a vytápění. Moya, X. a Mathur, ND Kalorické materiály pro chlazení a vytápění.Moya, X. a Mathur, ND Tepelné materiály pro chlazení a vytápění. Moya, X. & Mathur, ND 用于冷却和加热的热量材料。 Moya, X. a Mathur, ND Tepelné materiály pro chlazení a vytápění.Moya X. a Mathur ND Tepelné materiály pro chlazení a vytápění.Věda 370, 797–803 (2020).
Torelló, A. & Defay, E. Elektrokalorické chladiče: přehled. Torelló, A. & Defay, E. Elektrokalorické chladiče: přehled.Torello, A. a Defay, E. Elektrokalorické chladiče: přehled. Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。 Torelló, A. & Defay, E. 电热冷却器：评论。Torello, A. a Defay, E. Elektrotermické chladiče: přehled.Pokročilá. elektronika. alma mater. 8. 2101031 (2022).
Nuchokgwe, Y. a kol. Enormní energetická účinnost elektrokalorického materiálu ve vysoce uspořádané skandium-skandium-olovo. National communicate. 12, 3298 (2021).
Nair, B. a kol. Elektrotermický efekt vícevrstvých oxidových kondenzátorů je velký v širokém teplotním rozsahu. Nature 575, 468–472 (2019).
Torello, A. a kol. Obrovský teplotní rozsah v elektrotermických regenerátorech. Science 370, 125–129 (2020).
Wang, Y. a kol. Vysoce výkonný elektrotermický chladicí systém v pevné fázi. Science 370, 129–133 (2020).
Meng, Y. a kol. Kaskádové elektrotermické chladicí zařízení pro velký nárůst teploty. National Energy 5, 996–1002 (2020).
Olsen, RB a Brown, DD Vysoce účinná přímá přeměna tepla na elektrickou energii související s pyroelektrickými měřeními. Olsen, RB a Brown, DD Vysoce účinná přímá přeměna tepla na elektrickou energii související s pyroelektrickými měřeními.Olsen, RB a Brown, DD Vysoce účinná přímá přeměna tepla na elektrickou energii spojená s pyroelektrickými měřeními. Olsen, RB & Brown, DD 高效直接将热量转换为电能相关的热释电测量。 Olsen, RB a Brown, DDOlsen, RB a Brown, DD Efektivní přímá přeměna tepla na elektřinu spojená s pyroelektrickými měřeními.Feroelektrika 40, 17–27 (1982).
Pandya, S. a kol. Energie a hustota výkonu v tenkých relaxorových feroelektrických vrstvách. National alma mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0059-8 (2018).
Smith, AN a Hanrahan, BM Kaskádová pyroelektrická konverze: optimalizace feroelektrického fázového přechodu a elektrických ztrát. Smith, AN a Hanrahan, BM Kaskádová pyroelektrická konverze: optimalizace feroelektrického fázového přechodu a elektrických ztrát.Smith, AN a Hanrahan, BM Kaskádová pyroelektrická konverze: feroelektrický fázový přechod a optimalizace elektrických ztrát. Smith, AN & Hanrahan, BM 级联热释电转换：优化铁电相变和电损耗。 Smith, AN a Hanrahan, BMSmith, AN a Hanrahan, BM Kaskádová pyroelektrická konverze: optimalizace feroelektrických fázových přechodů a elektrických ztrát.J. Aplikační fyzika. 128, 24103 (2020).
Hoch, SR. Využití feroelektrických materiálů k přeměně tepelné energie na elektřinu. Proces. IEEE 51, 838–845 (1963).
Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM a Dullea, J. Kaskádový pyroelektrický měnič energie. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM a Dullea, J. Kaskádový pyroelektrický měnič energie.Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM a Dullea, J. Cascade Pyroelektrický měnič výkonu. Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。 Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM & Dullea, J. 级联热释电能量转换器。Olsen, RB, Bruno, DA, Briscoe, JM a Dullea, J. Kaskádové pyroelektrické měniče výkonu.Feroelektrika 59, 205–219 (1984).
Šebanov, L. a Borman, K. O pevných roztocích tantalátu olova a skandia s vysokým elektrokalorickým účinkem. Šebanov, L. a Borman, K. O pevných roztocích tantalátu olova a skandia s vysokým elektrokalorickým účinkem.Šebanov L. a Borman K. O pevných roztocích tantalátu olovnatého a skandia s vysokým elektrokalorickým účinkem. Shebanov, L. & Borman, K. 关于具有高电热效应的钪铅钪固溶体。 Šebanov, L. a Borman, K.Šebanov L. a Borman K. O pevných roztocích skandium-olovo-skandium s vysokým elektrokalorickým účinkem.Feroelektrika 127, 143–148 (1992).
Děkujeme N. Furusawovi, Y. Inoueovi a K. Hondovi za jejich pomoc při tvorbě MLC. PL, AT, YN, AA, JL, UP, VK, OB a ED. Děkujeme Lucemburské národní výzkumné nadaci (FNR) za podporu této práce prostřednictvím projektů CAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay, MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay-Siebentritt, THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay a BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defay.
Katedra materiálového výzkumu a technologie, Lucemburský technologický institut (LIST), Belvoir, Lucembursko